备用电源自动投入装置的发展及应用.doc

魏光迅（上海利策科技有限公司仪电部，上海 200233）摘 要：介绍了备用电源自动投入装置的发展过程，分析了各类型备用电源自动投入装置的特点，详细阐述了火力发电厂厂用电的切换，并 提出了备用电源自动投入装置的发展趋势。关键词：备用电源自动投入装置；功能；可靠性1引言随着现代电力技术的不断发展，电力网络的规模越来越大，复 杂程度也越来越高，为了确保电力系统的稳定性，需要装设各种安 全自动装置。备用电源自动投入装置就是其中最常见的一种，该装 置动作的正确可靠与否将直接影响到火力发电厂和生产装置区变 电所供电的可靠性。备用电源自动投入装置是当工作电源因故障断开以后，能够 自动而迅速地将备用电源投入工作或将用户切换到备用电源上去，从而使用户不致于被停电的一种装置，简称“BZT 装置”。2备用电源自动投入装置的发展同继电保护装置一样，BZT 装置经历了从电磁型、整流型、晶 体管型、集成电路型到微机型的发展历程。电磁型 BZT 装置主要 由低电压继电器、时间继电器、中间继电器、开关辅助接点等组成， 接线简单，维护方便，容易掌握，一定范围内能够满足控制要求，因 而在 20 世纪 80 年代得到了广泛的应用。但是，电磁型 BZT 装置 也有着明显的缺点：设备体积大，寿命短，动作速度慢，功能少，程 序不可调。20 世纪 80 年代中期到 90 年代初期，出现了整流型和晶 体管型 BZT 装置，具有体积小、功率消耗小和防震性能好的优点， 但功能与电磁型 BZT 装置基本相同。集成电路型 BZT 装置作为向 微机型 BZT 装置过渡的产品，还没有来得及大面积推广应用，就 被性能更为优越的微机型 BZT 装置所取代。3备用电源自动投入装置的应用3.1 电磁型 BZT 装置电磁型 BZT 装置的应用比较普遍，均采用带时限的低电压起 动方式。对电磁型 BZT 装置，有以下基本要求：（1）工作电源电压，除了因手动断开或进线开关保护动作而消 失外，在其他原因造成电压消失时，BZT 装置都应动作；（2）应保证在工作电源断开后，备用电源有足够高的电压时， 才投入备用电源；（3）应保证 BZT 装置延时动作，并且只动作一次；（4）当发生 PT 断线时，BZT 装置的起动元件不应动作；（5）若 BZT 装置投入稳定性故障，必要时应该使投入断路器 的保护加速动作。使用电磁型 BZT 装置时，除了因为电气元件，如电压继电器 和时间继电器等的不稳定性会影响到正常电源和备用电源之间的 切换之外，还存在以下问题：（1）切换时间长：时间继电器的整定时间 t 要求躲过工作电源进线开关的动作时限 t1，以避免工作电源进线保护动作时，备用电 源投入故障母线段；同时，还应该比工作电源母线段引出线短路保 护的最长动作时间大一个时限阶段 t2。一般情况下，t1=0.70.9 s， t2=0.50.7 s，电磁型 BZT 装置的动作时间 t=t1+t2=1.21.6 s；（2）冲击电流大：切换时间长导致电动机电源电压严重下降， 当备用电源投入时，电动机自启动成功与否、自启动时间等都将受 到较大的限制，同时，由于电动机的转速严重下降，自启动过程中（3）自投可靠性差：工作电源母线失电后，异步电动机将惰行。对单台电动机而言，电源切断后电动机的定子电流变为零，转子电 流逐渐衰减，转子转速也将从额定值逐渐降低，转子电流磁场将在定子绕组中感应反向电势，形成反馈电压；对多台异步电动机而言，由于各电动机的容量、负载等情况不同，在惰行过程中，一部分 电动机将继续保持异步电动机的特征，而另一部分将呈现异步发 电机的特征，此时的母线电压即为众多异步电动机的合成反馈电 压，俗称“残压”。通常，电动机总容量越大，残压的频率和幅值衰减 的速度越慢。由于电磁型 BZT 装置没有检测母线的残压，也没有 检测备用电源和母线残压之间的差压，所以备用电源能否成功自 投具有一定的不确定性。当备用电源和母线残压之间的相位差超 过 20时，在备用电源进线开关的合闸过程中将形成很大的冲击 电流，可能会导致后加速保护动作，造成自投不成功。3.2 整流型和晶体管型 BZT 装置整流型和晶体管型 BZT 装置的功能与电磁型 BZT 装置相比， 没有得到明显的改进，实际使用过程中仍然存在上述问题。后来由 于各种原因，整流型和晶体管型 BZT 装置并没有得到广泛应用。3.3 集成电路型 BZT 装置作为过渡产品，集成电路型 BZT 装置具备了微机型 BZT 装置 的某些功能，但是，由于集成电路型 BZT 装置采用整流、积分等模 拟方法来“计算”备用电源和母线残压之间的相位差和频差，在动 态条件下，其“计算”速度和精度与微机型 BZT 装置相比均有一定 的差距。随着微处理技术的迅猛发展，集成电路型 BZT 装置被微机型 BZT 装置取代。3.4 微机型 BZT 装置现行工程设计中，BZT 装置均采用微机型。微机型 BZT 装置 有如下特点和优点：（1）装置直观简便：外部接线少，占据空间小，可以在线查看全 部输入量、保护整定值、预设值、瞬时采样数据和事故分析记录，显示屏能实时显示相关运行数据；（2）可靠性高：采用了先进的电磁兼容（EMC）技术、新型抗电 磁和尖脉冲干扰器件以及 MPC 器件，软件上采用了冗余、容错、数 字滤波等技术；（3）精度高，免校验：精度均可由软件调整，全数字化处理和接 点信号系统；（4）智能化程度高，自适应能力强：通过面板或软件可设置和 修改 PT、CT 的变比、保护整定值、定值越限触发等参数，保护功能 均设有软压板，可根据现场需要设置投退，出口继电器均为可编程 输出；（5）综合功能强：具有串行通信功能，可进行远方监控，也可以 脱离网络独立完成各项功能，任一装置发生故障均不会影响到其 他设备，从而保证了整个系统的高可靠性。4 火力发电厂厂用电的切换4.1 厂用电切换对锅炉燃烧的影响锅炉是一个多输入多输出、非线性的动态对象，诸多调节量和。270 A0.5sBC0.6s190O 0.9s V A 350s0.4s170Vd UD0.7s 0.1sB0.2sB90A图 1 母线残压相量变化轨迹示意过长，会导致锅炉辅机设备的电动机转速明显降低，例如当磨煤机和给粉机的转速下降到一定的程度时，风粉比就不能维持锅炉的 正常燃烧，可能会引起热工保护动作，导致停炉、停机，严重情况下，甚至可能造成锅炉爆炸事故。4.2 影响厂用电切换的主要因素影响火力发电厂厂用电切换的主要因素包括开关条件、系统 结构、运行方式、故障性质、切换方式和切换装置。目前，少油开关逐渐被真空开关所代替，大大缩短了切换时 间，对快速切换的实现起到了决定性作用；系统结构和运行方式取 决于电气主接线，厂用电切换只能在既定的情况下进行，不可能按 照厂用电切换的需要来改变系统结构和运行方式；故障的发生往 往是不可预见的，所以其性质不可预测。可见，只有通过对切换方式和切换装置的优化选择来解决传统备用电源自动投入过程中出 现的问题。4.3 厂用电的切换方式（1）按照起动原因分类，厂用电切换可分为如下 3 种方式：1）正常切换：由运行人员手动操作起动，常用于发电厂机组的 开、停车过程；2）非正常切换：用于工作电源母线非正常电压下降或失电，以 及人为误操作或工作电源进线开关误动作而导致的工作电源被切除；3）事故切换：由 BZT 装置保护出口起动，用于事故情况下的 工作电源电压下降或失电。（2）按照开关的动作顺序分类（动作顺序以工作电源切向备用电源为例），厂用电切换可分为如下 3 种方式：1）并联切换：先合上备用电源，再跳开工作电源，多用于正常 切换。并联切换又可分为并联自动和并联非自动两种方式，并联自 动方式指由切换装置先合上备用电源，经短时并联后，再跳开工作 电源；并联半自动方式指快切装置仅完成备用电源的合闸，工作电 源的跳闸由运行人员完成。并联切换过程中，母线不会断电；2）串联切换：先跳开工作电源，确认工作电源进线开关跳开后，再合上备用电源，多用于事故切换。串联切换过程中，母线的断 电时间约为备用电源进线开关的合闸时间；3）同时切换：介于并联切换和串联切换之间，先跳开工作电 源，经短延时后再合上备用电源，短延时的目的是保证工作电源先 断开、备用电源后合上，这种方式可用于正常切换、非正常切换和 事故切换。同时切换过程中，母线的断电时间大于 0 而小于备用电 源进线开关的合闸时间。（3）按照切换的速度或合闸的条件分类，厂用电切换可分为如下 4 种方式：1）快速切换：当工作电源发生故障，进线开关跳闸后，母线残 压的频率和幅值将逐渐衰减，以极坐标形式绘出的母线残压相量 变化轨迹如图 1 所示，图中 Vd 为母线残压，VS 为备用电源电压，U 为备用电源电压与母线残压间的差压。动。所谓的“快速切换”就是切换装置能在安全合闸区域 AB 段合上备用电源，则既能保证电动机安全，又不使电动机转速下降得太 多。在实际工程应用中，是否能实现快速切换，主要取决于工作电源与备用电源间的固有初始相位差0、切换装置起动的方式（如保护起动等）、固有合闸时间以及厂用电母线当时的负载情况（相 位差变化速度/t 或频差f）等因素。例如，假定 B 点的相位 差不大于 60，初始相位差为 10（备用电源电压超前），在固有合闸时间内平均频差为 1 Hz，固有合闸时间为 100 ms，则合闸时的 相位差约 46；或者反过来讲，只要切换装置起动时工作电源和备 用电源的相位差小于 24，则备用电源合上时，相位差小于 60； 相同条件下，若初始相差大于 24，或合闸时间大于 140 ms，则无 法保证合闸瞬间相位差小于 60。当 AB 段不能实现快切时，母线 残压和备用电源之间的相位差将继续增大，切换装置将自动转入 同期捕捉切换；2）同期捕捉切换：图 1 中，过 B 点后 BC 段为不安全区域，不 允许切换。在 C 点以后的 CD 段实现的切换以前通常称为“延时切 换”或“短延时切换”。由于不同的运行工况下频率或相位差的变化速度相差很大，因此用固定延时的办法很不可靠，现在已不再采 用。利用微机型快速切换装置的功能，实时跟踪频差和相位差变 化，实现 CD 段的切换，特别是捕捉母线残压与备用电源的第一次 相位重合点，以便实现合闸，这就是“同期捕捉切换”。实际工程应 用时，可以做到在过零点附近很小的范围内合闸，如5。以图 1为例，同期捕捉切换时母线电压为 6570的额定电压，电动机 转速不致下降得很大，通常能够顺利的自启动。另外，由于两电压 同相，备用电源合上时冲击电流比较小，不会对电气设备及系统造成危害；3）残压切换：当母线电压衰减到 2040的额定电压后实 现的切换通常称为“残压切换”。残压切换虽能保证电动机安全，但 由于母线失电时间过长，电动机自启动成功与否以及自启动时间 等都将受到较大限制。如图 1 所示，母线残压衰减到 40的时间约 为 1 s，衰减到 20的时间约为 1.4 s；4）长延时切换：当备用电源的容量不能承担厂用电全部用电 负荷，或者不能满足残压切换情况下电动机的自启动需要时，机组 停车过程中的正常切换只能考虑长延时切换。5 结语工作电源失电情况下，为了确保火力发电厂能够迅速恢复正 常运行或安全停炉停机，确保装置的生产连续性，应该选用可靠的 备用电源自动投入装置。工程设计中，火力发电厂应优先选用微机 型厂用电快速切换装置，生产装置区变电所应选用微机型 BZT 装 置。随着微处理技术的继续发展，备用电源自动投入装置将进一步 向计算机化、网络化和智能化的方向发展，保护、控制、测量和数据 通讯将趋于一体化参考文献1 中国航空工业规划设计研究院编.工业与民用配电设计手册.第 3 版.中国电力出版社，20052 能源部西北电力设计院编.电力工程电气设计手册.水利电力出版 社，19913 江苏金智科技股份有限公司.MFC2000-3A 微机厂用电快速切换装置技术说明书.2005收稿日期：2010-02-25作者简介：魏光迅（1979-），男，湖北省随州市人，电气工程师，注 册电气工程师，研究方向：石油化工企业的电气设计。假定正常运行时工作电源与备用电源同相，其电压相量端点为 A，则母线失电后残压相量端点将沿残压曲线由 A 向 B 方向移file:/D